Экологические проблемы

Передача  энергии в химических реакциях в  организме происходит согласно второму  закону термодинамики, с потерей  части ее в виде тепла. Особенно велики эти потери при работе клеток животных, КПД которых очень низок. В  конечном итоге вся энергия, используемая на метаболизм, переходит в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве.[1]

Траты на дыхание во много раз больше энергозатрат на увеличение массы самого организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологического состояния особей. У молодых траты на рост могут достигать значительной величины, тогда как взрослые используют энергию пищи почти исключительно на поддержание обмена веществ и созревание половых продуктов. Интенсивность питания снижается с возрастом.

Таким образом, основная часть потребляемой с пищей энергии идет на поддержание  их жизнедеятельности и лишь сравнительно небольшая - на построение тела, рост и  размножение. Иными словами, большая  часть энергии при переходе из одного звена пищевой цепи в другое теряется, т.к. к следующему потребителю  может поступить лишь та энергия, которая заключается в массе  поедаемого организма. По грубым подсчетам  эти потери составляют около 90% при  каждом акте передачи энергии через  трофическую цепь. Следовательно, если калорийность растительного организма 1000 Дж, при полном поедании его травоядным животным в теле последнего остается из этой порции всего 100, в теле хищника - лишь 10 Дж, а если этот хищник будет  съеден другим, то на его долю придется только 1 Дж, т.е. 0,1%.[1]

Таким образом, запас энергии, накопленной  зелеными растениями, в цепях питания  стремительно иссякает. Поэтому пищевая  цепь включает обычно всего 4-5 звеньев. Потерянная в цепях питания энергия  может быть восполнена только поступлением новых ее порций. Поэтому в экосистемах  не может быть круговорота энергии, аналогичного круговороту вещества. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии, постоянного поступления ее извне  в виде солнечного излучения или  готовых запасов органического  вещества. Трофические цепи, которые  начинаются с фотосинтезирующих  организмов, называют цепями выедания (или цепями потребления, пастбищными цепями), а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных - детритными цепями разложения. Таким образом, поток энергии, входящий в экосистему, разбивается далее как бы на два основных русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества, источником которого также является фотосинтез. В разных типах экосистем мощность потоков энергии через цепи выедания и разложения различна: в водных сообществах большая часть энергии, фиксированной одноклеточными водорослями, поступает к питающимся фитопланктоном животным и далее - к хищникам, и значительно меньшая включается в цепи разложения. В большинстве экосистем суши противоположное соотношение: в лесах, например, более 90% ежегодного прироста растительной массы поступает через опад в детритные цепи.[1]  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Структура биосферы.

Биосфера  включает в себя: живое вещество, образованное совокупностью организмов; биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняки и др.); косное вещество, которое формируется без участия живых организмов; биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (например, почвы).

Косное  вещество биосферы.

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным  существование живых организмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты  и ограничена слоем озона, который  задерживает губительные для  жизни коротковолновую часть  ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы  могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В  гидросфере земной коры организмы проникают  на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается  на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено  температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии[3].

Атмосфера.

Газовая оболочка состоит в основном из азота  и кислорода. В небольших количествах  в ней содержится диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы  оказывает большое влияние на физические, химические и биологические  процессы на поверхности Земли и  в водной среде. Для биологических  процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания  и минерализации мертвого органического  вещества, диоксид углерода, участвующий  в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза[3].

Гидросфера.

Вода - важнейший компонент биосферы и  один из необходимых факторов существования  живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности  земного шара и содержит 1300 млн. км3. Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км3, а количество воды в живых организмах составляет всего 0,001 млн. км3. Значительные запасы воды (24 млн. км3) содержат ледники. Большое  значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их количество широко варьирует от температуры и присутствия живых  организмов. Диоксида углерода, содержащегося  в воде, в 60 раз больше, чем в  атмосфере. Гидросфера формировалась  в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической  истории Земли выделяла большое  количество водяного пара[3].

Литосфера.

Основная  масса организмов, обитающих в  пределах литосферы, находится в  почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва  включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества - продукты жизнедеятельности  организмов[3].

Живые организмы (живое вещество).

Хотя  границы биосферы довольно узки, живые  организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы  организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43х1012т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03х10 12 т, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении  живых организмов по видовому составу  наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую  биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов - беспозвоночные и только 4% - позвоночные, из которых десятая  часть - млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного  вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических  процессах. Вещества и энергию, необходимую  для обмена веществ, организмы черпают  из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются  и разлагаются. Ежегодно, благодаря  жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы[3].  
 
 
 
 
 

Эволюция  биосферы.

Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют  между собой, составляя целостную, сложно организованную систему, развивающуюся  по своим внутренним законам и  под действием внешних сил, в  том числе космических (солнечного излучения, гравитационных сил, магнитных  полей Солнца, Луны и др. небесных тел)

По современным  представлениям, развитие безжизненной геосферы, т.е. оболочки, образованной .веществом Земли, происходило на ранних стадиях существования нашей планеты, миллиарды лет назад. Изменения облика Земли были связаны с геологическими процессами, происходившими в земной коре, на поверхности и в глубинных слоях планеты и находили проявление в извержениях вулканов, землетрясениях, подвижках земной коры, горообразовании. Такие процессы происходят и сейчас на безжизненных планетах солнечной системы и их спутниках - Марсе, Венере, Луне.

С возникновением жизни (саморазвивающихся устойчивых форм) сначала медленно и слабо, затем  все быстрее и значительнее стало  проявляться влияние живой материи  на геологические процессы Земли.

Деятельность  живого вещества, проникшего во все  уголки планеты, привела к возникновению  нового образования - биосферы - тесно  взаимосвязанной единой системы  геологических и биологических  тел и процессов преобразования энергии и вещества. Размеры преобразований, осуществляемых живой материей, достигли планетарных масштабов, существенно  видоизменив облик и эволюцию Земли.

Так, например, в результате процесса фотосинтеза - деятельности зеленых растений, образовался  современный газовый состав атмосферы, в ней появился кислород. В свою очередь на активность фотосинтеза существенно влияет концентрация углекислого газа в атмосфере, наличие влаги и тепла.

Почва является целиком результатом деятельности живого вещества в косной (неживой) среде. Решающая роль в этом процессе принадлежит климату, топографии, деятельности микроорганизмов и растений и  материнским породам. Биосфера, возникнув  и сформировавшись 1-2 млрд. лет назад (к этому времени относятся  первые обнаруженные остатки живых  организмов), находится в постоянном динамическом равновесии и развитии[2].

В биосфере, как в любой экосистеме, происходит круговорот воды, планетарные перемещения  воздушных масс, а также биологический  круговорот, характеризующийся емкостью - количеством химических элементов, находяшихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме, и скоростью - количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени. В результате на Земле поддерживается большой геологический круговорот веществ, где для каждого элемента характерна своя скорость миграции в больших и малых циклах. Скорости всех циклов отдельных элементов в биосфере теснейшим образом сопряжены между собой[1].

Все перечисленные  формы биологических связей между  видами служат регистраторами численности  животных и растений в биоценозе, определяя степень его устойчивости; при этом чем больше видовой состав биоценоза, тем устойчивее сообщество в целом.

Видовой состав входящих в сообщество организмов и количественное соотношение видовых  популяций является одним из важнейших  показателей структуры сообщества. При изучении сообществ наиболее многочисленным видам уделяется  основное внимание, однако редкие виды часто являются лучшими индикаторами состояния среды; общее число  видов является показателем условий  существования живых организмов. Видовое разнообразие - признак экологического разнообразия: чем больше видов, тем больше экологических ниш, т.е. выше богатство среды. Видовое разнообразие связано с устойчивостью сообщества по той простой причине, что чем больше разнообразие, тем шире возможности адаптации сообщества к изменившимся условиям, будь это изменение климата или других факторов.[3]

Объяснение  этого состоит в том, что наличие  разных организмов с разными требованиями к среде повышает приспособленность  сообщества в целом. Так, редкие в  данный момент виды при изменившихся условиях могут оказаться в выигрышном положении и стать многочисленными, и наоборот. Таким образом, за счет видового разнообразия сообщество обеспечивает себе как бы резерв выживаемости на случай неожиданных изменений условий жизни.